船舶机舱自动化2-1 微型计算机原理

第2章微型计算基础第一节微型计算机原理一、微型计算机的组成及其基本工作原理1、微型计算机的组成

数据总线(DB)：双向传输数据信息。

其宽度(根数)与CPU提供的数据线的引脚数有关，宽度越宽，传输数据的能力越强。

控制总线(CB)：各种控制或状态信息通过控制总线由CPU送往有关部件，或者从有关部件送往CPU。

对于每一根控制总线来说是单向传送的。

地址总线(AB)：CPU执行指令时，用于单向传送地址信息，以便选中要访问的存储单元或I/O端口。

AB的宽度决定了微机系统的最大寻址能力(寻址空间)。最大寻址空间2N

。

2、微处理器(CPU)的结构及工作原理

⑴运算器运算器是在控制器控制下，对二进制数进行算术和逻辑运算的装置。①算术逻辑单元(ALU)完成各种算术和逻辑运算。②累加器(A)用来寄存参与运算的一个操作数，还寄存算术逻辑单元的中间运算结果。累加器就是一个8位寄存器。③标志寄存器(F)用来表示运算结果的状态、特征。④通用寄存器(H、L)。可寄存参与运算的一个操作数，或寄存ALU运算的中间结果，或寄存参与运算的一个操作数所在存储单元的地址。(2)控制器控制器是发送操作命令的机构和指挥中心。计算机程序和原始数据的输入、CPU内部对信息的处理、对处理结果的输出、外部设备与主机之间的信息交换等都是在控制器控制下实现的。①取指令部件

a.程序计数器PC：给出所要执行指令的地址。b.地址寄存器AR：寄存地址码。c.数据寄存器DR：用于暂存由存储单元取出的内容，或CPU要把数据存入某个存储单元的内容。

d.指令寄存器IR：存放当前要执行指令的操作码。②分析、执行指令部件

a.指令译码器ID：分析指令的部件。

b.可编程序逻辑阵列PLA：根据指令译码器所译出的状态，指挥CPU内部各种部件完成规定的操作。③时序控制部件计算机从取指令、分析指令到执行指令等一系列操作的顺序都需要严格的定时，时序部件就是完成这个程序的。3、存储器⑴存储器的基本概念存储器：分为读写存储器RAM(也叫随机存储器)及只读存储器ROM

两类。

RAM

可用于存放现场输入数据、中间运算数据和处理结果。

RAM

的内容既可读出、也可写入。

ROM一般用来存放固定的程序或常数类数据。

ROM的内容只能读出，不能写入。(2)存储器种类与功能读写存储器RAM普遍采用MOS存储器。

包括：静态RAM和动态RAM。②只读存储器ROM非易失性存储器。

a.掩模型ROM对芯片图形(掩模)通过二次光刻生产出来的。可以读出，不能修改。

b.可编程只读存储器PROM通过熔断相应的可熔金属丝写入程序。一旦写入，不能再重写。

c.可擦除可编程只读存储器EPROM通过紫外线照射擦除，可以多次改写。d.电改写的只读存储器EEPROM用电来擦除存储器的原来信息，使用方便。

e.闪速只读存储器(闪存)FlashROM可以快速地用电擦除存储器的全部信息。4、输入/输出(I/O)接口

输入/输出(I/O)接口：微型计算机与外设之间的桥梁。

程序、数据及现场信息是通过外设输入给微型计算机。CPU计算的结果通过外设输出到外部。接口的主要功能有:隔离主机与外设之间的数据;向外设传输控制信号和接收外设的状态信号;数据类型的转换。5、微型计算机软件微型计算机软件是为了运行、管理和维护微型计算机而编制的各种程序的总和。

系统软件：不需要用户干预的，为其他程序的开发、调试以及运行等建立一个良好环境的程序。系统软件包括：

操作系统(OS)；

系统应用程序。

应用软件：用户为解决各种实际问题而编写的各种程序。二、微型计算机控制系统

三、微型计算机的输入/输出接口电路

I/O接口：CPU与外部设备间的中间环节，是CPU与外部设备进行数据信息交换的桥梁或中转站。1、接口电路及其功能

(1)

CPU与外设之间交换信息的分类

①数据信息

a.数字量：即按一定的编码标准，由若干位数组合表示的数或字符。

b.开关量：即用一位二进制数表示两种状态的量。

c.模拟量：即能连续变化的量。②状态信息

CPU与外设交换数据信息过程中的联络信息(也称“握手”信号)。

③控制信息

CPU发给外设的命令信息。⑵接口电路的功能

①速度匹配快速的CPU与慢速的外部设备之间的匹配。在接口电路中都设有锁存器，它把数据总线瞬间出现的信息锁存起来。②有地址译码和设备选择能力

CPU发出地址信息后，各I/O接口都将进行地址译码，与CPU发的地址一致的接口会被选中。

CPU通过控制总线发读或写信号，决定被选中的I/O接口是把数据放在数据总线上还是从数据总线上取数据。③电平和功率的匹配输入接口电路把输入信号的电压转换成CPU能接受的电压。输出接口电路把CPU送来的信息，进行功率放大，转换成输出设备的工作电压。④要有模拟量和数字量转换的功能把模拟量转变成CPU能接受的数字量。把CPU输出的数字量转变成模拟量。⑤具有信息串并行传送的转换功能接收外部设备以串行方式送来的数据，转成并行数据送给CPU。并行接收CPU送来的数据，然后再一位一位向外部设备发送。⑥能为CPU提供外部设备的状态(3)

I/O接口的分类①不可编程接口该电路的功能由硬件电路加以固定，CPU不能通过程序软件加以改变。

例如：三态门缓冲器做输入接口。

锁存器做输出接口。②可编程接口其功能可由CPU的指令来加以改变的接口设备。

例如：可编程并行接口：8255。

可编程串行接口：8251。(4)

CPU与外设间的接口电路2、模拟量输入/输出接口电路(1)数/模转换器的工作原理“权电阻解码网络”或“梯形解码网络”。将输入的二进制数按照其每位的权数，将数字量转变为与相应位对应的模拟量，然后对每一位所转变成的模拟量求和即可。(2)模/数转换器的工作原理

A/D转换器有四种类型:

逐次逼近法;

∑-Δ转换法;

双斜率双积分法;

V/F转换法。①逐次逼近型A/D转换器将模拟量信号VX

与控制逻辑输出的数字量，从最高位经D/A转换成的模拟电压信号相比较，一位一位地进行下去，直到比较到最低位为止，这时10位二进制数正好与输入的模拟量信号VX

相对应。②Σ-Δ型A/D转换器输入X与反馈W反相求和，得到量化误差B，经积分器积分，输出的C输入至量化器进行量化，得到由0和1组成的数字序列D，数字序列D又经过一位的DAC转换器反馈至求和节点，形成闭合的反馈环路。属于过采样转换器，是目前精度最高的一种转换器，具有高分辨率、高性价比和低功耗等优点。③双积分型A/D转换器首先对未知的输入电压进行固定时间的积分，然后转换为标准电压进行反向积分，直至积分输出返回到初始值。电路简单，抗干扰能力强，精度高，但转换速度